플라즈마 절단이란 무엇인가? (정의, 개념도, 특징, 관련용어 설명)

캡, 노즐, 전극

 

소모품 일체

1. 플라즈마의 정의

 고체에서 열을 가하면 액체가 되고, 액체에 열을 가하면 기체가 되며, 다시 이 기체에 열을 가하면 기체는 전자와 원자핵으로 분리되어 플라즈마 상태가 된다. 즉, 초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 플라즈마라 한다. 

 

2. 플라즈마 절단의 개념

 플라즈마를 절단 열원으로 이용하여, 플라즈마 제트기류를 통해 재료를 가열 용융해 절단하는 방법이다.

토치안에 텅스텐으로 된 전극과 구리 노즐 사이에서 아크를 발생시키고, 아크 주위를 통해 가스를 흘려보내면 열적 핀치 효과로 인해 아크의 단면적은 아주 작아진다. 이때 전류밀도, 온도, 압력이 아주 높아져 플라즈마가 가스의 분출과 함께 고속으로 노즐 구멍으로 분출 되어 절단되는 원리이다. 

 일반적으로 플라즈마 가스는 아르곤, 질소, 수소 등을 이용하는데, Gas 절단과 같이 산소를 이용하기도 한다. 산소는 철(Fe)과 탄소강에서만 사용하는데, 그 이유는 산소가 철(Fe)과 반응하여, 산화철이 되며 산화철의 용융점(약 1,200'c)은 철의 용융점 (약 1,500'c)보다 낮기 때문에 절단이 효율적으로 이루어지기 때문이다. 이 같은 원리는 가스 절단의 원리 이기도 하다.

 

3. 특징 

 1) 장점

   ① Gas 절단으로 절단하지 못하는 스테인리스강, 알루미늄, 콘크리트와 같은 재료도 절단할 수 있다. 

   ② Gas 절단 대비해서 슬래그나 이물질이 없어 절단면의 품질이 우수하다.

 2) 단점

   ① 플라즈마는 15,000~30,000'c 까지 온도가 올라가는 것으로 알려져 있어, 토치 내 전극, 노즐, 오링 등 부품이 녹거나 협착되는 등 문제가 생길 수 있어, 소모품으로써 주기적으로 교환이 필요하다. (위 사진 참조)

   ② Laser 절단 대비해서 절단면의 품질이 열세하다.

   ③ 토치 내 냉각수가 순환되는 등 구조가 복잡 하다.

   ④ Drag Line이 생기지 않도록 절단 조건, 설비 유지 관리 등에 주의해야 한다.

 3) 종류

   ① 플라즈마 아크 절단 : 전극과 모재 사이에 아크를 발생시켜 플라즈마 제트 기류를 발생하는 방식

   ② 플라즈마 제트 절단 : 토치내 전극과 노즐사이에 아크를 발생시켜 플라즈마 제트 기류를 발생하는 방식

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4. 관련 용어

 1) 열적 핀치 효과 (Pinch Effect) : 플라즈마 제트 기류가 분출될때 플라즈마 주위로 가스를 흘려보내면 냉각효과로 인해, 플라즈마는 열을 잃지 않기 위해 단면적이 작아지고 동시에 온도가 증가한다. 이런 원리로 온도와 압력이 증가하여 절단이 이루어 진다.

유사용어로는 자기적 핀치 효과가 있다. 

 2) Laser : Light Amplification by Stimulated Emission Radiation의 약자로 복사선의 유도방출에 의한 증폭 원리를 이용한 빛 에너지이다. 이 빛 에너지의 집합체를 통해 Laser 절단, Laser 용접 등이 가능하다. 

 3) Drag Line : 절단면 상에 절단방향에 수직한 방향으로 생기는 선을 의미한다. 

 4) 피어싱 : 플라즈마 절단 시작시에 플라즈마를 강하게 분출하면서 원형으로 구멍을 뚫고, 절단이 시작되는데 이때 구멍을 내는 것을 피어싱이라 한다. 피어싱시에 높은 온도와 압력이 작용하므로 토치 내구성에 영향을 준다. 일반적으로 피어싱을 몇회 했는지를 기준으로 소모품을 교환 한다.